Simulation von Schertests an Bondstellen zur Beurteilung der Vorbindungsqualität mit neuartigen Dickdrähten auf Aluminiumbasis
Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Drahtbonden ist ein Mikropressschweißverfahren, bei dem gleich- oder verschiedenartige Werkstoffe durch zeitlich begrenzte Einwirkung von Druck sowie Temperatur und/oder Ultraschall im festen Zustand miteinander verbunden werden. Als Qualifizierungsmerkmal für eine gute Verbindung gilt insbesondere bei Dickdrahtbonds der Schertest, der aufgrund seiner einfachen Anwendbarkeit bevorzugt verwendet wird. Die Kriterien für den Schertest sind im DVS-Merkblatt 2811 zusammengefasst. Für die dargestellten Empfehlungen in Bezug auf den Schercode ist jedoch nicht hinreichend klar, inwiefern diese auf die verschiedenen neu verfügbaren Drahtwerkstoffe übertragbar sind. Daher sollten zur verbesserten Möglichkeit der Interpretation im Rahmen dieses Projektes neue Grundlagen geschaffen werden. Diese resultieren unter anderem aus unterbrochenen Schertests mit anschließender metallographischer Analyse mittels Querschliffen und instrumentierter Eindringprüfung. Es ergab sich, dass die Ver- und Entfestigungsvorgänge beim Schertest stark material- und legierungsabhängig sind. Der hochreine Al H11 Draht zeigte nach einer Verfestigung im ersten Teil des Schertests noch eine relative Entfestigung im weiteren Verlauf. Bei einem legierten und deutlich feinkörnigeren AlMg0,5 Draht konnte eine reine Verfestigung im Verlauf des Schertests bestätigt werden. Es sei angemerkt, dass dieser Unterschied im Verfestigungsverhalten Einfluss auf den Schadensverlauf hat und bei der Interpretation, insbesondere von Schercodes, berücksichtigt werden sollte. Im Falle des hochreinen Aluminiumdrahts Al H11 ist ein Versagen im Interface oder interface-nah deutlich unwahrscheinlicher als beim stark verfestigenden AlMg0,5 Draht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass für einen aluminiumummantelten Kupferdraht (Handelsname: CucorAl PLUS) durch den hohen Festigkeitsunterschied der beiden Materialien, eine vollständige Durchscherung nicht möglich ist. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationsmodelle mittels des quelloffenen Softwarepakets FEniCS erstellt. Dabei konnte auf Vorarbeiten des externen Kooperationspartners Abali zur Schadensmechanik aufgebaut werden, in denen das Schadensparametermodell nach Lemaitre verwendet wurde. Es wurde für den vorliegenden Fall zusätzlich eine aktualisierte Lagrangeformulierung für große Deformationen implementiert. Weiter zeigte sich, dass die Deformationen so groß sind, dass diese durch Elementdeformation zu Konvergenzproblemen führten. Dies wurde durch Implementierung eines Ansatzes zur Neuvernetzung umgesetzt. Die Kalibrierung der Lemaitre Schadensparameter wurde mittels uniaxialen Zugversuchs und entsprechender Simulation desselben durchgeführt. Hierbei wurde gleichzeitig die Funktion der Umsetzung in der FEniCS Umgebung validiert. Darüber hinaus zeigten erste Simulationen des Scherversuchs, dass eine Berücksichtigung der Triaxialität über die von Lemaitre getroffene Formulierung hinaus notwendig ist. Hierfür wurde eine Begrenzung der Schadensentstehung in Abhängigkeit der Triaxialität nach Bao et al. eingeführt. Die verschiedenen Ansätze wurden abschließend gegenübergestellt und deren Einflüsse aufgezeigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical Simulation of a Wire Bond Shear Test Using Nonlinear Adaptive Remeshing. 2022 23rd International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), 1-3. IEEE.
Kuttler, Simon; Wittler, Olaf & Schneider-Ramelow, Martin
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Determination of Lemaitre Damage Parameters for Al H11 Wire Material. 2023 24th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), 1–3.
Kuttler, Simon; Abali, Bilen Emek & Wittler, Olaf
